掘進機履帶板結構的優化及校核

李 炎

（陽煤寺家莊有限責任公司開拓三隊， 山西 昔陽 045300）

引言

巷道的掘進速度和質量在一定程度上影響后續煤炭的開采進度。為提升掘進工作面巷道的掘進效率和成巷效果，掘進機作為其主要設備，其各部件的性能尤為重要。目前，應用于巷道掘進的主流掘進機的類型為懸臂式掘進機[1]。履帶作為懸臂式掘進機的行走機構，其主要承擔掘進機的重量和行走任務。鑒于掘進工作面的環境相對惡劣，加之煤巖塊對履帶的沖擊，對履帶的結構性能提出了更高的要求。在實際掘進過程中發現，當掘進機向前鉆進時發現履帶與巷道地面存在打滑的現象，而且當前履帶結構無法自動清除附著于其上的淤泥，進而嚴重制約著掘進機的掘進效率。因此，急需對當前掘進機的履帶結構進行優化，提升掘進機對地面的附著力和自動排出淤泥的功能。

1 掘進機行走機構的概述

目前，應用于掘進工作面最為廣泛的掘進機類型為懸臂式掘進機[2]。本文所研究掘進機的型號為EBZ-135，該型號掘進機為部分斷面掘進機，主要結構如圖1 所示。

如圖1 所示，懸臂式掘進機主要由截割機構、裝載機構、液壓系統、行走機構以及電氣系統等組成。本文所研究的重點為掘進機行走機構中的履帶，履帶的結構屬于無支重輪結構[3]。經實踐表明，當前掘進機的履帶在實際推進過程中出現打滑且淤泥排不出的現象。經分析可知，造成履帶出現打滑的原因為原履帶結構表面無履刺，導致其無法深入地面產生足夠的附著力。導致履帶出現淤泥排不出的原因為：原履帶結構存在凹槽，造成了淤泥在凹槽中的堆積無法自動排出，從而制約了掘進機的掘進效率。

因此，本文將從履帶打滑、淤泥堆積兩個方面對其結構進行改進設計。

圖1 懸臂式掘進機結構簡圖

2 履帶結構的優化

2.1 提升履帶附著力

2.1.1 加設履刺

對履帶結構改造前需確保優化后的履帶具有足夠的縱向剛度和扭轉剛度，從而避免出現履帶脫落現象[4]。經分析可知，導致履帶附著力不夠的原因為

其缺乏履刺。為此，在原有履帶結構上配置如圖2 所示的履刺。

圖2 優化后的履帶結構

如圖2 所示，履刺均勻對稱分布，且為確保履帶的受力均勻，將履帶中間位置的履刺長度加長。履帶上的履刺增加其對地面的剪切力，進而提升其與地面的附著力，從而確保掘進機在推進過程中不出現打滑的現象。

2.1.2 履刺提升附著力的驗證

將優化后的履帶裝配于掘進機行走機構中，并對比在同等路障情況下裝配原履帶和裝配優化后履帶的掘進機在后輪的牽引扭矩。經驗證得出如下頁表1 所示的后輪牽引扭矩對比值。

分析表1 可知，優化后履帶的掘進機后輪牽引扭矩值明顯增大，且增加量為22.36 kN·m。履刺的加設可增加履帶與地面的接觸深度，從而增大履帶與地面的附著力。但是，履刺的加設無法解決掘進機的側滑現象，而且履帶積淤泥的問題也未得到解決。因此，還需對履刺的安裝形式進行深入研究。

表1 后輪牽引扭矩對比 kN·m

2.2 實現履帶自動排淤泥的結構優化

為了解決優化后履帶無法自動排出淤泥的問題，經對淤泥的受力情況進行分析可知，將履刺呈一定角度安裝可實現對淤泥的自動清理。

2.2.1 優化履刺安裝角度

參照坦克履帶的設計角度，一般坦克履帶履刺的安裝形狀為人字形或者八字形。經實踐證明，坦克履帶的人字形履刺或者八字形履刺不僅能夠提升履帶的附著力，還能夠確保其不會出現側滑的現象，更重要的是人字形或者八字形的履刺結構能夠實現淤泥的自動排出[5]。

因此，將掘進機履帶上的履刺按照兩頭斜向布置，中間橫向布置的形式，且斜向布置的傾斜角度為45°。履刺斜向布置的履帶結構如圖3 所示。

圖3 45°履刺布置的履帶結構示意圖

2.2.2 履刺提升附著力的驗證

將優化后的履帶裝配于掘進機行走機構中，并對比在同等路障情況下裝配原履帶和裝配履刺45°履帶的掘進機在后輪的牽引扭矩。經驗證得出如表2 所示的后輪牽引扭矩對比值。

表2 后輪牽引扭矩對比 kN·m

分析表2 可知，履刺以45°的傾斜角安裝后履帶的后輪牽引扭矩值為101.53 kN·m，大于優化前履帶的后輪牽引扭矩值，且增加量為13.64 kN·m。盡管傾斜布置履刺履帶的附著力小于0°布置履刺履帶的附著力，但是基于傾斜布置履刺的履帶能夠避免掘進機在轉彎時出現側滑，且能夠實現淤泥的自動排出功能。

3 優化后履帶結構的校核

經“2”中的優化設計及驗證，確定履帶結構的最終優化方案為將履刺呈45°角傾斜布置于原履帶結構上，并將其優化后的履帶裝配于掘進機的行走機構中，對其在轉彎工況下履帶板的嚙合力和強度進行校核。

3.1 履帶板嚙合力的校核

在轉彎工況下，掘進機驅動輪的平均扭矩及履帶板嚙合力如表3 所示。

表3 轉彎工況下履帶板嚙合力的對比

分析表3 可知，履帶結構優化后在轉彎工況下驅動率的平均扭矩和履帶板合力均明顯增大，充分驗證了優化后的履帶結構能夠明顯提升掘進機與地面的附著力。

3.2 履帶板強度的校核

基于履帶板的合力，經換算可得驅動力的實時力矩為28 kN·m。故，對驅動輪力矩為28 kN·m 時履帶板的強度進行校核。基于ANSYS 軟件對優化后履帶板的應力和變形結果為：優化后履帶板的最大變形量為0.029 mm，且最大變形的位置處于履帶接觸齒面的中間位置；最大變形的位置即為應力集中位置，具體數值為225 MPa，小于履帶結構所選材料的最小許用應力值465 MPa。

因此，優化后履帶板的強度校核滿足實際生產的需求，在提升其附著力的同時，實現對淤泥的自動排出。

4 結論

懸臂式掘進機作為巷道掘進的關鍵設備，在實際掘進工作中由于履帶結構存在缺陷導致出現履帶打滑且淤泥需人工處理的問題，嚴重制約著掘進機的掘進效率。為此，將履刺傾斜呈45°布置安裝于原履帶結構中，不僅有效提升了履帶與地面的附著力，而且實現了履帶自動排出淤泥的功能，且優化后履帶板的嚙合力和強度校核均符合要求。